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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelkupplung zur Kupplung eines
Zugfahrzeugs mit einem Nachlauffahrzeug, umfassend eine mit einem der
Fahrzeuge: Zugfahrzeug oder Nachlauffahrzeug, verbundene oder verbindbare
Kupplungskugel und eine mit dem jeweils anderen Fahrzeug verbundene oder
verbindbare Kupplungspfanne, welche mit der Kupplungskugel kuppelbar
ist, wobei genauer die Kupplungskugel einen konvexen Anlagebereich
aufweist und die Kupplungspfanne in einer Kupplungsausnehmung einen
konkaven Gegenanlagebereich aufweist, welche Bereiche im Kupplungszustand
der Kugelkupplung unter Bildung eines Kupplungsanlagebereichs aneinander
anliegen und zwischen welchen die Kupplungskugel und die Kupplungspfanne bei
Entkupplung der Kugelkupplung trennbar sind, wobei ferner ein Kupplungselement:
Kupplungspfanne oder Kupplungskugel, eine Dichtung trägt,
welche im Kupplungszustand den Kupplungsanlagebereich gegen die
Umgebung abdichtet.
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Eine
derartige Kugelkupplung ist aus der
DE 10 2005 022 879 A1 bekannt.
Die Dichtung wird von dem sie tragenden Kupplungselement starr gehalten und
liegt dichtend an dem sie nicht tragenden Kupplungselement an. Dabei
hat sich als nachteilig herausgestellt, dass sich durch Materialabrieb
im Kupplungsanlagebereich mit zunehmendem Betrieb der Kugelkupplung
die Relativpositionen von Kupplungskugel und Kupplungspfanne allmählich
verändern und sich dadurch die Anlagesituation der Dichtung
an dem jeweils anderen, sie nicht tragenden Kupplungselement ändert.
Dadurch können lokal sehr hohe Belastungen auf die Dichtung
wirken, was zur Beeinträchtigung der Dichtungswirkung an
dieser Stelle führen kann.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße
Kugelkupplung mit gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Standfestigkeit
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kugelkupplung
gelöst, bei welcher die Dichtung, bezogen auf eine im Kupplungszustand
den Mittelpunkt der Kupplungskugel enthaltende und die Kupplungsausnehmung
der Kupplungspfanne im Wesentlichen zentral durchsetzende Kupplungsachse,
mit radialem Bewegungsspiel in dem sie tragenden Kupplungselement
aufgenommen ist. Durch eine derartige Ausgestaltung der Kugelkupplung
kann sich die Dichtung bei betriebsbedingter Verlagerung der Kupplungselemente
relativ zueinander und damit einhergehender Veränderung
ihres Anlagezustands an dem sie nicht tragenden Kupplungselement,
etwa durch Materialabrieb an der Kupplungskugel oder/und der Kupplungspfanne,
aufgrund des radialen Bewegungsspiels relativ zur dem sie tragenden Kupplungselement
bewegen, was eine unerwünscht hohe Betriebslast auf die
Dichtung vermeidet. Die Dichtung, welche zur Sicherstellung ihrer
Dichtungswirkung unter Vorspannung an dem es sie nicht tragenden
Kupplungselement anliegt, kann somit über sehr lange Betriebsdauer
mit im Wesentlichen konstanter Vorspannung und damit konstanter
Dichtungswirkung im Kupplungszustand an dem sie nicht tragenden
Kupplungselement anliegen.
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Die
oben genannte Kupplungsachse dient als Koordinatensystem zur Definition
einer axialen und einer radialen Richtung sowie einer Umfangsrichtung.
Mit "Kupplungsausnehmung" der Kupplungspfanne ist dabei jene Ausnehmung
bezeichnet, in welche die Kupplungskugel beim Herstellen des Kupplungszustands,
das heißt beim Ankuppeln, eingeführt wird, bis
Anlagefläche und Gegenanlagefläche aneinander
anliegen. Daher ist die Kupplungsausnehmung üblicherweise
zumindest abschnittsweise sphärisch. Die Kupplungsachse
sollte daher in einem idealisierten Kupplungszustand, etwa mit unverschlissenen
Kupplungselementen bei Geradeausfahrt auf ebener horizontaler Fahrbahn,
betrachtet werden. In diesem idealisierten Kupplungszustand enthält
die Kupplungsachse den Mittelpunkt der Kupplungskugel, enthält
ferner den Mittelpunkt des sphärischen Abschnitts der Kupplungsausnehmung der
Kupplungspfanne und verläuft im Wesentlichen orthogonal
zur Fahrbahnoberfläche.
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Zwar
kann grundsätzlich daran gedacht sein, lediglich einen
bestimmten Abschnitt zwischen Kupplungskugel und Kupplungspfanne
gegen die Umgebung abzudichten. Bevorzugt ist als Dichtung jedoch eine
umlaufende Dichtung verwendet, so dass der Kupplungsanlagebereich
möglichst vollständig gegen Umwelteinflüsse
abgeschirmt ist.
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Die
umlaufende Dichtung kann in einem besonders einfachen, auf Grund
seiner hohen Dichtungswirkung jedoch auch besonders bevorzugten Fall
durch einen O-Ring gebildet sein. Ebenso ist jedoch denkbar, eine
umlaufende Dichtung durch Heraustrennen aus einer Dichtungsmateriallage
zu erhalten, etwa in an sich bekannter Weise durch Stanzen eines
Dichtungsrings aus einer Dichtungsmateriallage. Ebenso kann der
Dichtungsring durch einen Urformvorgang, etwa durch Spritzformen
beziehungsweise Spritzgießen, erhalten werden.
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Besonders
vorteilhaft kann die umlaufende Dichtung in dem sie tragenden Kupplungselement
in einer ringförmigen Aufnahmeausnehmung aufgenommen sein.
Dabei kann eine ausreichende Dichtungswirkung gegenüber
dem die Dichtung tragenden Kupplungselement durch axiale Verformung
der Dichtung in der ringförmigen Aufnahmeausnehmung bereitgestellt
werden.
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Grundsätzlich
kann daran gedacht sein, dass axial zwischen die Aufnahmeausnehmung
in axialer Richtung begrenzenden Axial-Begrenzungswandabschnitten
Zwischenbauteile angeordnet sind, an welchen die Dichtung Anliegen
kann. Aus Gründen einer möglichst geringen Bauteileanzahl
ist es jedoch bevorzugt, wenn die Dichtung an wenigstens einer,
besonders bevorzugt an beiden die Aufnahmeausnehmung in axialer
Richtung begrenzenden Axial-Begrenzungswandabschnitten anliegt.
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Gemäß einer
möglichen Ausführungsformder Erfindung kann die
Aufnahmeausnehmung in der Kupplungskugel ausgebildet sein, wobei
dann zur Bereitstellung des radialen Bewegungsspiels der Durchmesser
des die Aufnahmeausnehmung in radialer Richtung begrenzenden Radial-Begrenzungswandabschnitts
kleiner ist als die lichte Weite der Durchgangsöffnung
der in die Aufnahmeausnehmung eingelegten umlaufenden Dichtung.
Dabei ist die eingelegte Dichtung im Kupplungszustand, also in ihrem
Zustand axialer Verformung bei Anlage an dem sie nicht tragenden
Kupplungselement zu betrachten, da in der Regel eine axiale Kompression der
Dichtung unvermeidbar zu einer radialen Verformung der Dichtung
führt, und zwar derart, dass die lichte Weite der Durchgangsöffnung
kleiner ist als im axial unverformten Zustand.
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Gemäß einer
weiteren, gegenüber der zuvor genannten bevorzugten Ausführungsform,
kann die Aufnahmeausnehmung in der Kupplungspfanne ausgebildet sein,
wobei dann zur Sicherstellung des radialen Bewegungsspiels der Dichtung
der Durchmesser des die Aufnahmeausnehmung in radialer Richtung
begrenzenden Radial-Begrenzungswandabschnitts größer
ist als der Außendurchmesser der in die Aufnahmeausnehmung
eingelegten Dichtung. Wiederum ist aus den oben genannten Gründen
die eingelegte Dichtung in ihrem axialen Verformungszustand unter
Anlage an dem sie nicht tragenden Kupplungselement zu betrachten.
In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Durchgangsöffnung
der umlaufenden Dichtung von der Kupplungskugel durchsetzt, an welcher
die Dichtung dichtend anliegt.
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Bei
Aufnahme der Dichtung in der Kupplungspfanne ist zur Sicherstellung
der dichtenden Anlage der Dichtung an der Kupplungskugel bevorzugt,
dass die Dichtung an der Oberfläche des von der Kupplungspfanne
wegweisenden Halbkugelabschnitts der Kupplungskugel anliegt. Dann
wirkt eine betriebsbedingte axiale Relativbewegung zwischen Kupplungspfanne
und Kupplungskugel in der Regel Dichtungswirkung erhöhend,
dass sich die Kupplungspfanne im Kupplungszustand, etwa bei Überfahren
von Bodenunebenheiten, in axialer Richtung lediglich von der Kupplungskugel
geringfügig abgegeben, sich dieser jedoch nicht weiter
annähern kann. Durch Abheben der Pfanne von der Kupplungskugel
wird die wie oben beschrieben an der Kupplungskugel anliegende Dichtung
zum Äquator der Kupplungskugel hin bewegt, was die Durchgangsöffnung
der umlaufenden Dichtung weitet und so aufgrund der Materialelastizität
des Dichtungsmaterials für eine Erhöhung der Anlagekraft
der Dichtung an die Kupplungskugel sorgt.
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Weiterhin
kann an einem der Kupplungselemente, bevorzugt an der Kupplungspfanne,
ein Schmiernippel vorgesehen sein, mit welchem ein Schmierstoff, üblicherweise
etwa Schmierfett, zwischen Kupplungspfanne und Kupplungskugel eingebracht
werden kann. Dann ist es besonders bevorzugt, wenn die Dichtung
zwar flüssigkeitsdicht, jedoch nicht gasdicht, an dem sie
nicht tragenden Kupplungselement dichtend anliegt. Dadurch kann das
Schmiermittel die zwischen Kupplungspfanne und Kupplungskugel vorhandene
Luft in die Umgebung verdrängen, wird selbst jedoch durch
die Dichtung zurückgehalten, so dass sie wie gewünscht
zwischen Kupplungspfanne und Kupplungskugel verbleibt.
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Zur
Erhöhung der zwischen den Kupplungselementen einführbaren
Schmierstoffmenge kann an der Oberfläche wenigstens eines
der Kupplungselemente eine Vertiefung ausgebildet sein.
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Weiterhin
kann zur Vermeidung einer Beschädigung der Dichtung bei
der Herstellung des Kupplungszustandes, also beim Ankuppeln, die Dichtung
derart in der Kugelkupplung angeordnet bzw. ausgebildet sein, dass
eine zentrierende Vorspannkraft auf sie wirkt. Zur Realisierung
dieser zentrierenden Vorspannkraft kann eine Federanordnung in der
Kugelkupplung vorgesehen sein, welche die zentrierende Federkraft
auf die Dichtung ausübt. Als besonders geeignet haben sich
dabei Mäanderfedern erwiesen. Diese Federanordnung, insbesondere
die genannte Mäanderfeder, kann radial zwischen der Dichtung
und einem Radial- Begrenzungswandabschnitt aufgenommen sein, welcher
eine die Dichtung aufnehmende Aufnahmeausnehmung in radialer Richtung
begrenzt. Dadurch kann vermieden werden, dass die Kugelkupplung
zur Aufnahme der Federanordnung in axialer Richtung mit größeren Abmessungen
ausgebildet werden muss. Darüber hinaus benötigt
gerade eine Mäanderfeder sehr wenig Bauraum und kann bequem
in Radialspalte mit geringer radialer Ausdehnung aufgenommen werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellt
dar:
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1 eine
Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen unverschlissenen Kugelkupplung
mit einem in der Kupplungspfanne aufgenommenen O-Ring,
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2 eine
Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen unverschlissenen Kugelkupplung
mit einem in der Kupplungspfanne aufgenommenen gestanzten Dichtungsring
und
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3 eine
Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Kugelkupplung mit Verschleißspuren
mit einem in der Kupplungspfanne aufgenommenen gespritzten Dichtungsring.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kugelkupplung allgemein mit 10 bezeichnet. Die Kugelkupplung
und 10 umfasst eine Kupplungspfanne 12, welche
an einer Deichsel 13 einstückig mit dieser ausgebildet
ist. Sie umfasst ferner eine Kupplungskugel 14, welche
in eine teilsphärische Kupplungsausnehmung 15 der
Kupplungspfanne 12 eingeführt ist. Ein Anlagebereich 20 der Kupplungskugel 14 liegt
dabei an einem Gegenanlagebereich 22 der Kupplungspfanne 12 an
und bildet somit in dem in 1 dargestellten Kupplungszustand
einen Kupplungsanlagebereich 24.
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Die
Kupplungsachse A enthält den Mittelpunkt Mk der Kupplungskugel 14 sowie
den Mittelpunkt Mp der Kupplungsausnehmung 15 und durchsetzt
die teilsphärische Kupplungsausnehmung 15 zentral.
Die Kupplungsachse A in den in den 1 bis 3 gezeigten
idealisierten Zuständen in der jeweiligen Zeichnungsebene
und verläuft im Wesentlichen orthogonal zur nicht dargestellten
ebenen horizontalen Fahrbahnoberfläche.
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In
der Kupplungspfanne 12 ist eine Ringnut 16 ausgebildet,
welche von der Kupplungsachse A ebenfalls zentral durchsetzt ist.
Die Ringnut 16 liegt in einer zur Kupplungsachse A orthogonalen
Ebene. Die Ringnut 16 weist zwei einander mit Abstand gegenüberliegende,
im Wesentlichen parallele Axial-Begrenzungswandabschnitte 16a und 16b auf, welche
die Ringnut 16 in axialer Richtung begrenzen, und umfasst
einen in axialer Richtung zwischen den Begrenzungswandabschnitten 16a und 16b gelegenen
Radial-Begrenzungswandabschnitt 16c, welcher die Ringnut 16 nach
radial außen begrenzt. In der Ringnut 16 ist ein
O-Ring 18 derart aufgenommen, dass er unter axialer Druckverformung
an den Axial-Begrenzungswandabschnitten 16a und 16b anliegt.
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Ebenso
liegt der O-Ring 18 dichtend an der Oberfläche
der Kupplungskugel 14 an, und zwar an dem von der Kupplungspfanne 12 weg
weisenden Halbkugelabschnitt 19.
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Es
ist in 1 gut zu erkennen, dass zwischen dem Außendurchmesser
des O-Rings 18 und dem Radial-Begrenzungswandabschnitt 16c ein Ringspalt 34 vorhanden
ist, welcher in dem in 1 gezeigten Beispiel über
den Umfang der Ringnut 16 gleichmäßig
ausgebildet ist. Zu erkennen ist ein Ringspalt 34a auf
der deichselferneren Seite der Kugelkupplung sehen und ein in radialer
Richtung im Wesentlichen gleich großer Ringspalt 34b auf
der deichselnäheren Seite der Kugelkupplung. Die Dichtung 18 kann
sich daher erforderlichenfalls in radialer Richtung in der Ringnut 16 relativ
zu der sie aufnehmenden Kupplungspfanne 12 bewegen.
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Anzumerken
ist, dass der Gegenanlagebereich 22 der Kupplungskugel 12 eine
Vertiefung 26 aufweist, welche als Schmierfettspeicher
dient. Über einen in der Kupplungspfanne 12 vorgesehenen Schmiernippel 28 kann
Schmierfett zwischen den Anlagebereich 20 und den Gegenanlagebereich 22, insbesondere
in die Vertiefung 26, eingepresst werden.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kugelkupplung dargestellt. Gleiche Bauteile wie in der ersten Ausführungsform sind
in der zweiten Ausführungsform mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet, jedoch erhöht um die Zahl 100. Die
zweite Ausführungsform wird lediglich insoweit beschrieben
werden, als sie sich von der ersten unterscheidet. Ansonsten wird
ausdrücklich auf die obige Beschreibung der ersten Ausführungsform
verwiesen.
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Die
zweite Ausführung vom unterscheidet sich von der in 1 gezeigten
ersten Ausführungsform lediglich darin, dass die Dichtung 118 der
zweiten Ausführungsform ein gestanzter Dichtungsring ist,
welcher aus einer Dichtungsmateriallage ausgestanzt ist.
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In 3 ist
eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kugelkupplung dargestellt. Gleiche Bauteile wie in der ersten und
der zweiten Ausführungsform sind in 3 mit den
gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch erhöht um die Zahl 200 beziehungsweise 100.
Die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform
wird im folgenden nur insoweit erläutert, als sie sich
vor den ersten beiden Ausführungsformen unterscheidet,
auf deren ausführliche Erläuterung ansonsten ausdrücklich
verwiesen wird.
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Die
Dichtung 218 von 3 ist eine
durch Spritztechnik hergestellte Dichtung.
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In 3 ist
die Kugelkupplung 210 nach längerer Betriebsdauer
dargestellt, so dass aufgrund von Materialabrieb der Anlagebereich 220 und
der Gegenanlagebereich 222 keine übereinstimmenden Durchmesser
mehr aufweisen, was dazu führt, dass dann, wenn eine Relativzugkraft
in Richtung des Pfeils 230 zwischen der Kupplungskugel 214 und
der Kupplungspfanne 212 wirkt, die beiden Kupplungselemente
längs eines im Vergleich zu den zuvor gezeigten Ausführungsformen
kleineren Kupplungsanlagebereichs 224 anliegen und ein
Spalt 232 zwischen dem Anlagebereich 220 und dem
Gegenanlagebereich 222 besteht. Der Kupplungsanlagebereich 224 ist
in diesem Fall eine Schmiegezone, in welcher der Anlagebereich 220 und
der Gegenanlagebereich 222 aufgrund ihrer trotz des Verschleißes
sehr ähnlichen Durchmesser flächig aneinander
anliegen. Die Mittelpunkte Mk der Kupplungskugel 214 und
Mp der Kupplungspfanne 212 fallen jedoch auseinander.
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Aufgrund
der in radialer Richtung schwimmend gelagerten Dichtung 218 kann
die Dichtung 218 die durch Materialabrieb im Kupplungszustand geänderten
Relativpositionen der Kupplungselemente 212 und 214 durch
eine radiale Relativbewegung relativ zur Ringnut 216 der
Kupplungspfanne 212 ausgleichen, so dass eine zumindest
lokal erhöhte Belastung der Dichtung 218 vermieden
wird. In 3 ist somit zu erkennen, dass
der deichselfernere Ringspalt 234a in radialer Richtung
kleiner ist als der deichselnähere Ringspalt 234b.
Dadurch kann an dem Dichtungsanlageort der Dichtung 218 an
der Kupplungskugel 214 unterhalb des Äquators 227 der Kupplungskugel 214 der
Anlagedruck, mit welchem die Dichtung 218 an der Kupplungskugel 214 anliegt, und
somit die Dichtungswirkung der Dichtung 218 über
eine sehr lange Betriebszeit im Wesentlichen konstant gehalten werden.
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Die
Dichtung 218 ist mit ihren Abmessungen, insbesondere ihrem Öffnungsdurchmesser
im unverformten Zustand, Ihrem Dichtungsmaterial und ihrem Dichtungsanlageort
an der Kupplungskugel 214 so gewählt, dass Schmierfett,
welches durch den Schmiernippel 228 zwischen die Kupplungskugel 214 und
die Kupplungspfanne 212 eingefüllt wird, von der
Dichtung 218 zurückgehalten wird, das eintretende
Schmierfett jedoch eventuell zwischen der Kupplungskugel 214 und
der Kupplungspfanne 212 vorhandene Luft über die
Dichtung 218 hinweg in die Umgebung verdrängen
kann. Diese Bemessung der Dichtungen gilt im Übrigen für
alle in der vorliegenden Anmeldung dargestellten Ausführungsformen.
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In
den 1 bis 3 nicht dargestellt ist die
Aufnahme einer Mäanderfeder in den Ringspalten 34, 134 bzw. 234,
welche für eine Zentrierung der jeweiligen Dichtung 18, 118 und 218 bezüglich
der Kupplungachse A sorgt. Diese bewirkt insbesondere, dass die
Dichtung 18, 118, 218 im entkuppelten
Zustand der Kugelkupplung über den Umfang der Kupplungsausnehmung 15, 115, 215 hinweg
im Wesentlichen das gleiche radiale Maß in die Kupplungsausnehmung 15, 115, 215 vorsteht,
so dass sie beim Ankuppeln der Kupplungspfanne 12, 112, 212 an
die Kupplungskugel 14, 114, 214 von letzterer
leicht in die Ringnut 16, 116, 216 hinein
verdrängt werden kann, ohne dass eine Quetschung der Dichtung
wegen übermäßigen Überstandes
zu befürchten ist.
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Es
wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass jedes technische
Merkmal, welches lediglich in einer Ausführungsform der 1 bis 3 der
vorliegenden Erfindung dargestellt ist, auch in jeder beliebigen
anderen Ausführungsform zum Einsatz kommen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005022879
A1 [0002]